與未來智能工廠齊頭并進(jìn)
——CMM廠商的應(yīng)變之道

與未來智能工廠齊頭并進(jìn)
——CMM廠商的應(yīng)變之道

編者按

亞拉文?戈文丹（Aravind Govindan）是弗若斯特沙利文咨詢公司測試與測量研究小組的高級研究分析師。全球制造業(yè)處于轉(zhuǎn)型的開始期，智能工廠和自動化成為了趨勢。這種趨勢也使得質(zhì)量控制流程中的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)生了明顯的改變。本文發(fā)表于2014年12月的《質(zhì)量雜志》，介紹了CMM技術(shù)如何緊跟智能工廠的發(fā)展步伐，進(jìn)行第三次技術(shù)革命。

全球制造業(yè)處于轉(zhuǎn)型的開始期，對智能工廠和自動化的重視已成為趨勢。這些趨勢旨在完善質(zhì)量控制流程。在制造工廠中，質(zhì)量控制流程是至關(guān)重要的，并且在過去二十年中經(jīng)歷了巨大變化。但是，大型制造商繼續(xù)投入超過5%的制造成本，用于打造有效的質(zhì)量控制流程。

在過去的十年中，發(fā)展中國家在全球制造業(yè)份額約為35%。美國、德國、法國、意大利和英國等所謂的傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)體的制造業(yè)份額不斷下滑，因?yàn)闁|方的勞動力成本更低。印度、中國、巴西和其他南亞國家使得發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體復(fù)興制造業(yè)的整體復(fù)雜性進(jìn)一步增加，因?yàn)檫@些經(jīng)濟(jì)體的勞動力成本更廉價(jià)，其中產(chǎn)階級不斷壯大，并出臺了支持外商直接投資的配套改革方案。

發(fā)達(dá)國家正嘗試通過推動智能工廠的理念重振制造業(yè)，而東方國家也在增加投資，以提高生產(chǎn)效率。諸多因素對制造技術(shù)產(chǎn)生了顯著影響，如質(zhì)量控制流程中使用的三坐標(biāo)測量機(jī)（coordinate measuring machine，CMM）。

市場速覽：成熟市場加劇了競爭

弗若斯特沙利文咨詢公司的研究表明，2013年，獨(dú)立運(yùn)行的CMM帶來了超過17億美元的收入，其中60%是由橋式CMM貢獻(xiàn)的。在汽車和航空航天工業(yè)中，CMM用于起落架、驅(qū)動總成、制動系統(tǒng)反推力裝置及其他關(guān)鍵部件的檢測。這一市場的集中度很高，最知名有蔡司（Carl Zeiss）、?？怂箍担℉exagon Metrology）、三豐（Mitutoyo）和溫澤（Wenzel）等領(lǐng)先企業(yè)。在航空航天市場，用于測量渦輪葉片的大型橋式CMM也存在利基市場機(jī)會。

龍門式CMM和橫臂機(jī)廣泛應(yīng)用于車身、大型工具、組件和飛機(jī)外部機(jī)身的檢測。與橫臂機(jī)相比，關(guān)節(jié)臂測量機(jī)（簡稱關(guān)節(jié)臂）的價(jià)格更低、精確度更高，受到越來越多企業(yè)的青睞。

法如科技（F A R O Technologies）的FaroArm關(guān)節(jié)臂和?？怂箍档腞omer關(guān)節(jié)臂機(jī)等產(chǎn)品本質(zhì)上是便攜式CMM，可以輕松圍繞廠房進(jìn)行精確的三維測量。關(guān)節(jié)臂市場是全球空間計(jì)量市場中增長速度最快的領(lǐng)域之一，2013年增長率超過6%。雖然關(guān)節(jié)臂不太可能在某些應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行CMM級別的測量，但自從20世紀(jì)80年代，關(guān)節(jié)臂在汽車和航空航天工業(yè)的滲透度已經(jīng)顯著增加了。

第一次革命：獨(dú)立式CMM

到目前為止，CMM市場已經(jīng)經(jīng)歷了三次漸進(jìn)性革命，提高了質(zhì)量流程的效率。第一代CMM是一個獨(dú)立產(chǎn)品。在這一階段，最終用戶仍然需要把制造的部件運(yùn)送到測量室，才能進(jìn)行尺寸測量。

采取這種做法，主要因?yàn)镃MM在熱不穩(wěn)定環(huán)境無法產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果。即使在今天，獨(dú)立式CMM仍占到CMM市場總收入的70%以上。隨著全球化的發(fā)展，在現(xiàn)有能力范圍內(nèi)開展生產(chǎn)和檢驗(yàn)對于控制成本而言至關(guān)重要。為CMM單獨(dú)裝配測量室需要消耗大量的時(shí)間和精力，而且需要工人把組件搬到測量室才能進(jìn)行檢查。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，CMM制造商設(shè)計(jì)了一種新型的產(chǎn)品。

第二次革命：在線式CMM

在第二次革命中，出現(xiàn)了專門針對工廠環(huán)境設(shè)計(jì)的CMM，可以在惡劣的環(huán)境中繼續(xù)提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果。這樣的CMM被稱為車間CMM或在線式CMM。蔡司和?？怂箍道^續(xù)在車間CMM市場占據(jù)主導(dǎo)地位，產(chǎn)品型號分別是Duramax和4.5.4 SF。例如，海克斯康的4.5.4 F CMM的測量范圍為355毫米×514毫米×353毫米，在環(huán)境溫度下最大容許探測誤差值為3.1+（3L/ 1000）微米。與之類似，Duramax的測量范圍為500毫米×500毫米×500毫米，具有高達(dá)+30℃的溫度穩(wěn)定性。Duramax還配有一個ZEISS VAST XXT掃描傳感器，可以提高精度和測量速度。

每一個革命的周期都不斷縮短，這個現(xiàn)象非常有趣，但更重要的是，CMM制造商必須認(rèn)清一個事實(shí)，即每一個新的革命的預(yù)計(jì)持續(xù)時(shí)間都比之前一次革命短得多。大部分車間CMM制造商已經(jīng)見證了這一事實(shí)。自從車間CMM獲得了最終用戶的歡迎后，對于CMM制造商來說，下一個合乎邏輯的機(jī)會就應(yīng)該是系統(tǒng)自動化。數(shù)控銑床實(shí)現(xiàn)了自動化之后，最終用戶都在尋找解決方案，試圖將自己的CMM也進(jìn)行自動化，用于部件的測量。海克斯康、蔡司、三豐、溫澤、Coord3、Aberlink和Helmel等企業(yè)推出了車間CMM，以適應(yīng)客戶的需求。這些機(jī)器也有自動化的能力。將數(shù)控銑床和自動化反饋回路結(jié)合，以便根據(jù)CMM和銑床之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對公差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

第三次革命：內(nèi)嵌式CMM

在當(dāng)前這次革命中，（內(nèi)嵌式）自動化解決方案帶來了高效的生產(chǎn)環(huán)境。智能工廠是造成這一趨勢的關(guān)鍵因素，而調(diào)整戰(zhàn)略定位、適應(yīng)最終用戶需求改變的CMM制造商屈指可數(shù)。內(nèi)嵌式CMM是一個高度自動化的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)初衷是可以集成到自動生產(chǎn)線當(dāng)中。這些系統(tǒng)必須為所制造的零件提供高速檢測。這些解決方案包括Itaca Metrology的Flexgauge、三豐公司的Mach V 和Kogame、Helmel的Cellmaster、蔡司的掃描CMM（如CenterMax、GageMax、O-inspect和VoluMax等），它們是內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)測量機(jī)（帶有CT傳感器的CMM）的代表。

伴隨著全球產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模融合，智能工廠革命中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的界限正在迅速消失。在未來，CMM制造商需要重新進(jìn)行思考，并在研發(fā)能力方面進(jìn)行大量投資，才能在這個迅速發(fā)展的市場存活下去。否則，傳統(tǒng)CMM制造商將很難保持領(lǐng)先地位。令人驚訝的是，工業(yè)自動化公司和系統(tǒng)集成商逐漸獲得了智能工廠的關(guān)注，脫穎而出，將成為新的市場領(lǐng)導(dǎo)者。然而，借助戰(zhàn)略聯(lián)盟，傳統(tǒng)的CMM制造商可以生存下來，可能提供終生的解決方案。

對于一些CMM制造商來說，提供產(chǎn)品和解決方案，并成為一個更大的生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，這是他們?yōu)跬邪钍降脑O(shè)想。例如，一個CMM制造商可以與一家自動化公司建立一個戰(zhàn)略聯(lián)盟，以便銷售更多的內(nèi)嵌式CMM。另外，CMM制造商可以與其他計(jì)量公司建立伙伴關(guān)系，提供綜合的內(nèi)嵌式測量解決方案，除了CMM以外，還提供內(nèi)嵌式計(jì)量技術(shù)、掃描儀和影像測量機(jī)等。

?？怂箍底罱瞥龅臏y量解決方案叫做360°SIMS。該解決方案的設(shè)計(jì)初衷是專門幫助汽車制造商打造100%的自動化三維檢查過程。360°SIMS解決方案提供了龍門式CMM、水平臂、白光掃描儀、內(nèi)嵌式計(jì)量和激光掃描儀等技術(shù)。解決方案的主要特點(diǎn)是在產(chǎn)品周期內(nèi)進(jìn)行完整的表面檢查，和100%的車身、部件和分部裝配的檢驗(yàn)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，在沖壓、車身車間和總裝分廠內(nèi)，設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌式、在線式和離線式自動化單元。

結(jié)論

通過分析CMM市場的三次革命（獨(dú)立式、在線式和內(nèi)嵌式），可以明顯看出。在研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和營銷策略的框架內(nèi)，CMM制造商已經(jīng)接受了一個概念，也就是智能工廠是在不斷發(fā)展的。歷史趨勢和CMM市場最終用戶的行為表明，獨(dú)立式CMM帶來的收入可能是最大的。盡管如此，不能忽視最終用戶生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生的迅速轉(zhuǎn)變。智能工廠可能會對三維測量產(chǎn)品和解決方案產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。最終用戶很可能會采取更加整體的方法，以打造質(zhì)量檢驗(yàn)流程。

在未來，最終用戶會要求使用特定應(yīng)用技術(shù)，在生產(chǎn)周期內(nèi)完成質(zhì)量檢驗(yàn)。一些傳統(tǒng)的CMM公司已經(jīng)預(yù)見這樣的最終用戶趨勢，并提供與其他技術(shù)結(jié)合的CMM，如掃描儀和視覺測量機(jī)，以確保或維持市場領(lǐng)導(dǎo)地位。

（趙燦 編譯）